第二章电力半导体器件2
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第2章 电力电子器件的基本特性
逆导晶闸管 (RCT)
I
G
K O
IG=0 U
A
a)
b)
图2.3.7 逆导晶闸管的电气 图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安 特性
§2.3.2
门极可关断晶闸管（GTO）
• 可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTO。 • 它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。 同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下 导通，在负脉冲电流触发下关断。
2. 晶闸管的伏安特性
晶闸管导通时的A-K间 的电压（导通压降） 是非常小的，其典型 的平均压降为1～2V， 因此，晶闸管导通后 相当于“低阻态”。 晶闸管门极特性偏差 很大，即使同一额定 值的晶闸管之间其特 性也有所不同，所以 在设计门极触发电路 时，必须考虑这种偏 差。
图2-4 晶闸管的伏安特性
2.1.2
电力电子器件的种类
二、电力电子器件按控制信号的性质不同又可分为 两种：
电流控制型器件： 此类器件采用电流信 号来实现导通或关断控 制。 如：晶闸管、门极可关 断晶闸管、功率晶体管、 IGCT等； 电压控制半导体器件： 这类器件采用电压控 制（场控原理控制）它 的通、断，输入控制端 基本上不流过控制电流 信号，用小功率信号就 可驱动它工作。 如：MOSFET管和IGBT管。
重点和难点
• • • •
电力电子器件的基本模型和分类 电力电子器件指标和特性 应用电力电子器件系统的组成 电力电子器件的驱动和保护类型及原理
§2.1
电力半导体器件的种类及应用
电力半导体器件是电力电子技术及其应用系统的基 础。电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制 与应用。 定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的 半导体电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。 广义上，电力电子器件可分为电真空器件和半导体 器件两类，本书涉及的器件都是指半导体电力电子器 件。
半导体器件2修改版
N＋埋层用于降低集 电极串连电阻
8.3 BJT的工作原理（NPN管）
BJT在工作时一定要加上适当的直 流偏置电压。若在放大工作状态： 发射结加正向电压，集电结加反 向电压。 发射结正偏，集电结反偏。
下面以NPN管为例介绍晶体 管的放大作用。基本共射放大电 路如右图。
C B
E
c
＋
UCB c区
－
b b区
(b) 共发射极
(c) 共集电极
NPN型BJT三极管的共发射极连接
结点电流：IE = IB + IC
制备工艺
(1) PN结隔离的纵向NPN管
(2)混合隔离的纵向NPN管
1.制备埋层（氧化(SiO2)-光刻-埋层扩散-去氧化层）
（N+ 提供集电极电流的低阻通路）
N+
N+
P
P
–进行大剂量As+注入并退火，形成n+埋层 –利用HF腐蚀掉硅片表面的氧化层
流增益。
I En I En
I E I Ep I En
(NPN型)
IEp IEp (PNP型)
IE IEp IEn
✓基区输运系数：成功进入集电区的少数载流子占注入到基区的少
数载流子的比例。 0≤ T≤1，在基区中复合的载流子越少， T越大，
其尽可能接近1时，BJT电流增益越大。
T
I Cn I En
边界条件-1
• 基区
0
DB
d 2pB dx2
pB
B
P+N
0
W
X
pB (0)
p (eqVEB / kT B0
1)
pB (W ) pB0 eqVCB / kT 1
陈坚--电力电子学
aInCInE InCIE a(1a)
In B(1a)In E(1a)IE
IEICIB
IC IC 0 BIn C ICB a O IE IC a(1 a )IB IC 0( B 1 a )
ICIB(1)IC0B
ICIB
25
2.2.2 三极管的静态特性 三极管输入、输出特性
电力电子学
——电力电子变换和控制技术（第二版）
第2章
半导体电力开关器件
2 半导体电力开关器件
2.1 电力二极管 2.2 双极结型电力晶体管BJT 2.3 晶闸管及其派生器件 2.4 门极可关断晶闸管GTO 2.5 电力场效应晶体管P－MOSFET 2.6 绝缘门极双极型晶体管IGBT *2.7 *2.8 自学 2.9 半导体电力开关模块和功率集成电路 本章小结
IFRIFrms /1.57
15
半导体电力二极管的开关特性
开关过程，由导通状态转为阻断状态 并不是立即完成，它要经历一个短时 的过渡过程；
此过程的长短、过渡过程的波形对不 同性能的二极管有很大差异；
理解开关过程对今后选用电力电子器 件，理解电力电子电路的运行是很有 帮助的，因此应对二极管的开关特性 有较清晰的了解。
现今商品化的电力三极管的额定电压、电流大都 不超过1200V、800A; 已经淘汰
28
2.3 晶闸管及其派生器件
晶闸管实物图
29
2.3 晶闸管及其派生器件
2.3.1 逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈 2.3.2 逆导型晶闸管RCT 2.3.3 光控晶闸管LCT 2.3.4 双向晶闸管TRIACIGBT
状态： 导通、阻断
过程： 开通、关断
16
半导体电力二极管的开关特性（续） 二极管开通及反向恢复过程示意图
In B(1a)In E(1a)IE
IEICIB
IC IC 0 BIn C ICB a O IE IC a(1 a )IB IC 0( B 1 a )
ICIB(1)IC0B
ICIB
25
2.2.2 三极管的静态特性 三极管输入、输出特性
电力电子学
——电力电子变换和控制技术（第二版）
第2章
半导体电力开关器件
2 半导体电力开关器件
2.1 电力二极管 2.2 双极结型电力晶体管BJT 2.3 晶闸管及其派生器件 2.4 门极可关断晶闸管GTO 2.5 电力场效应晶体管P－MOSFET 2.6 绝缘门极双极型晶体管IGBT *2.7 *2.8 自学 2.9 半导体电力开关模块和功率集成电路 本章小结
IFRIFrms /1.57
15
半导体电力二极管的开关特性
开关过程，由导通状态转为阻断状态 并不是立即完成，它要经历一个短时 的过渡过程；
此过程的长短、过渡过程的波形对不 同性能的二极管有很大差异；
理解开关过程对今后选用电力电子器 件，理解电力电子电路的运行是很有 帮助的，因此应对二极管的开关特性 有较清晰的了解。
现今商品化的电力三极管的额定电压、电流大都 不超过1200V、800A; 已经淘汰
28
2.3 晶闸管及其派生器件
晶闸管实物图
29
2.3 晶闸管及其派生器件
2.3.1 逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈 2.3.2 逆导型晶闸管RCT 2.3.3 光控晶闸管LCT 2.3.4 双向晶闸管TRIACIGBT
状态： 导通、阻断
过程： 开通、关断
16
半导体电力二极管的开关特性（续） 二极管开通及反向恢复过程示意图
半导体物理器件Chapter2-
势垒高度增加至 q(y0 VR) ，增高的势垒阻挡载流子通过PN结扩散，通
过PN结的电流非常小，结的阻抗很高。耗尽层宽度（突变结）：
1
W
2k0
y0 VR
qNd
2
（2-23）
PN结
2.2加偏压的PN结
4)根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电性
在电子扩散区和空穴扩散区，
区间电势差 y 0 。
未形成PN结之前的N区（P区）的电子（空穴）浓度为：
nN dnie(E F nE i)/K T
pNani(EiEFp)/KT
可以得到分别的费米能级为：
EFnEi
KTlnNd ni
EFp
Ei
KTln
Na ni
再由热电势
VT
KT q
，得： y01 q(EFnEFp)VTlnNn diN 2a
耗尽区
n 型电中性区
（c） 与（b）相对应的空间电荷分布
PN结
2.1热平衡PN结
3.几个概念
耗尽近似：在空间电荷区，与电离杂质浓度相比，自由
载流子浓度可以忽略，这种近似称为耗尽近似。因此空间电 荷区也称为耗尽区（又称为耗尽层）。在完全耗尽的区域， 自由载流子密度为零。
中性近似：假设耗尽区以外，在杂质饱和电离情况下，
单边突变结（一侧的杂质浓度远远大于另一侧的质浓度的突变结）
PN结
NaNd
引言
4.突变结与线性缓变结 2)线性缓变结： 两区之间杂质过渡是渐变的
adNDNA常数
dx
- ax
xj 0
x
ND NA
0
x
在线性区： N(x)a(xxj)
第2章__电力电子器件
混 合 IGBT 型
（
MCT
双 极
SITH
功率MOSFET 单 功率SIT 极 肖特基势垒二极管 型
电力电子器件分类树
图1-42
（
复 合 型
GTR
T TO RC G 型 晶闸管 TR LT IA T 电力二极管 C
2.2 不可控器件—电力二极管
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数
在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对 应的正向压降。
3） 反向重复峰值电压URRM
对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有两倍的裕量。
4）反向恢复时间trr
trr= td+ tf
5）最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。
TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高 平均温度。 TJM通常在125~175C范围之内。
之后， 迅速增大。
IA
2 I G I CBO1 I CBO2
1 ( 1 2 )
（2.4）
在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来
1.阻断状态：IG=0， 1+2 很小。流过晶闸管的漏电流稍 大于两个晶体管漏电流之和。 2.开通状态：加正向阳极电压，且注入触发电流使晶体管
正向电流的上升会因器件自身的 电感而产生较大压降。电流上升 率越大，UFP越高
2.2.3 电力二极管的主要参数
1) 正向平均电流IF(AV)
额定电流——在指定的管壳温度和散热 条件下，其允许流过的最大工频正弦半 波电流的平均值。
若流过二极管的电流 不是正弦半波，如 何选取二极管？
《电力电子技术》第2章 电力电子器件
电力电子器件是基础 电能进行变换和控制是核心
2/89
上节课内容回顾
• 二、电力电子器件
1、概念：是指可直接用于处理电能的主电路中，实现 电能的变换或控制的电子器件。
2、特性：大功率、开关特性、驱动电路、损耗大，加散热
3、组成：主电路、控制电路、检测电路。。。。
4、分类：
1）控制程度：不控器件、半控器件、全控器件
12/89
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照载流子参与导电的情况 ◆单极型器件 ☞由一种载流子参与导电。 ◆双极型器件 ☞由电子和空穴两种载流子参与导电。 ◆复合型器件 ☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成， 也称混合型器件。
13/89
2.1.4 本章内容和学习要点
■本章内容 ◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其 它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作 原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的 一些问题。
检测
控
电路
制
保护
电
电路
路
驱动ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电路
V1 LR
V2
主电路
电气隔离
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
10/89
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照能够被控制电路信号所控制的程度 ◆半控型器件 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 ☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。 ◆全控型器件 ☞目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关 断。 ◆不可控器件 ☞电力二极管（Power Diode） ☞不能用控制信号来控制其通断。
■学习要点 ◆最重要的是掌握其基本特性。 ◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性 曲线的使用方法。 ◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 ◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。
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上节课内容回顾
• 二、电力电子器件
1、概念：是指可直接用于处理电能的主电路中，实现 电能的变换或控制的电子器件。
2、特性：大功率、开关特性、驱动电路、损耗大，加散热
3、组成：主电路、控制电路、检测电路。。。。
4、分类：
1）控制程度：不控器件、半控器件、全控器件
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2.1.3 电力电子器件的分类
■按照载流子参与导电的情况 ◆单极型器件 ☞由一种载流子参与导电。 ◆双极型器件 ☞由电子和空穴两种载流子参与导电。 ◆复合型器件 ☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成， 也称混合型器件。
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2.1.4 本章内容和学习要点
■本章内容 ◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其 它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作 原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的 一些问题。
检测
控
电路
制
保护
电
电路
路
驱动ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电路
V1 LR
V2
主电路
电气隔离
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
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2.1.3 电力电子器件的分类
■按照能够被控制电路信号所控制的程度 ◆半控型器件 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 ☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。 ◆全控型器件 ☞目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关 断。 ◆不可控器件 ☞电力二极管（Power Diode） ☞不能用控制信号来控制其通断。
■学习要点 ◆最重要的是掌握其基本特性。 ◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性 曲线的使用方法。 ◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 ◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。
第二章 半导体器件基础
计算机电路基础第二章半导体器件基础上海第二工业大学冯涛编写上海第二工业大学冯涛编写第二章半导体器件基础2.1 半导体基础知识2.2 PN结与半导体二极管2.3 半导体三极管2.4 场效应管上海第二工业大学冯涛编写章节要求和学习任务PN结的形成和单向导电性二极管的伏安特性半导体三极管的基本结构、工作原理三极管的伏安特性MOS场效应管的结构、工作原理和伏安特性曲线结型场效应管的结构、工作原理和伏安特性曲线上海第二工业大学冯涛编写2.1 半导体基础知识半导体基础知识导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质，称为半导体。
半导体主要有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。
上海第二工业大学冯涛编写2.1 半导体基础知识硅、锗等半导体材料之所以得到广泛的应用，主要是因为它们的导电能力具有一些特殊的方面。
1、热敏性：半导体的电阻率随温度升高而显著减小。
常用于检测温度的变化。
对其他工作性能有不利的影响。
2、光敏性：在无光照时电阻率很高，但一有光照电阻率则显著下降。
利用这个特性可以制成光敏元件。
3、杂敏性：在纯净的半导体中加入杂质，导电能力猛增几万倍至百万倍。
利用这些特性可以制造出具有不同性能用途的半导体器件。
上海第二工业大学冯涛编写2.1 半导体基础知识本征半导体（完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
） 点阵结构：每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。
原子最外层的价电子不仅围绕…两个相邻原子共用一对电子。
（ａ）点阵结构（ｂ）共价键结构上海第二工业大学冯涛编写上海第二工业大学冯涛编写由于热激发而产生的自由电子自由电子移走后而留下的空穴共价键共有价电子所形成的束缚作用共价键结构、自由电子、空穴在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。
2.1 半导体基础知识共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。
半导体器件物理学习指导：第二章 PN结
型区扩散。由电子和空穴扩散留下的未被补偿的施主和
受主离子建立了一个电场。这一电场是沿着抵消载流子扩 散趋势的方向
在热平衡时，载流子的漂移运动正好和载流子的扩散运动
相平衡，电子和空穴的扩散与漂移在N型和P型各边分别留
下未被补偿的施主离子和受主离子N d和
N
a
。结果建立了
两个电荷层即空间电荷区。
i
反偏产生电流在 P N 结反向偏压的情况下，空间电荷区 中 np ni2 。于是会载流子的产生，相应的电流即为空间电 荷区产生电流。
隧道电流：当P侧和N侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可 能穿透(代替越过)势垒而产生电流，这种电流叫做隧道电流
产生隧道电流的条件： （1）费米能级位于导带或价带的内部； （2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率； （3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另
雪崩击穿：在N区（P区）的一个杂散空穴（电子）进入空 间电荷层，在它掠向P区（N区）的过程中，它从电场获得 动能。空穴（电子）带着高能和晶格碰撞，并从晶格中电 离出一个电子以产生一个电子空穴对。在第一次碰撞之后， 原始的和产生的载流子将继续它们的行程，并且可能发生 更多的碰撞，产生更多的载流子。结果，载流子的增加是 一个倍增过程，称为雪崩倍增或碰撞电离，由此造成的PN 结击穿叫做雪崩击穿。
Ae-wn Lp K2 = - 2sh wn - xn
Lp
（4）
Aewn Lp K1 = 2sh wn - xn
Lp
（5）
将（4）（5）代入（1）：
sh wn - x
pn
-
pn0
=
pn0 (eV
VT
- 1) sh
Lp wn - xn
半导体器件物理 第二章总结
21
其次，对于相同的势垒高度，肖特基二极 管的JsD或JsT要比P-N结的反向饱和电流Js大 得多。换言之，对于同样的使用电流，肖 特基二极管将有较低的正向导通电压，一 般为0.3V左右。
22
肖特基二极管的应用
因为有以上的特点，肖特基二极管在高速 集成电路，微波技术等许多领域都有很多 重要应用。 例如，由于肖特基势垒具有快速开关响应， 因而可以把它和N-P-N晶体管的集电极-基 极结并联连接，如图5 a所示，以减小晶体 管的存贮时间。
9
接触电阻定义为零偏压下的微分电阻，即
∂I Rc = ∂V V =0
4π * Rc ∝ exp mnε r ε 0 h
−1
（1）
运用量子力学的运算，最后得到
(
)
1/ 2
VD 1/ 2 N D
（2）
由式（2）看到，掺杂浓度越高，接触电阻 Rc越小。因而，半导体材料重掺杂时，可 得到欧姆接触。
16
图3
实用的肖特基二极管结构：采用金属搭接
17
为了得到理想的I-V特性，在图4所示的保 护环结构中采用了一种附加的p+扩散环来 降低边缘效应。由于搭接金属结构比较简 单，通常在集成电路中采用它更为合适。
18
图4
实用的肖特基二极管结构：采用保护环二极管
19
肖特基二极管的特点
肖特基势垒二极管和P-N结二极管具有类似 的电流-电压关系，即它们都有单向导电性； 但前者又有区别于后者的以下显著特点。 首先，就载流子的运动形式而言，P-N结正 向导通时，由P区注入N区的空穴或由N区 注入P区的电子，都是少数载流子，它们先 形成一定的积累，然后靠扩散运动形成电 流。
20
其次，对于相同的势垒高度，肖特基二极 管的JsD或JsT要比P-N结的反向饱和电流Js大 得多。换言之，对于同样的使用电流，肖 特基二极管将有较低的正向导通电压，一 般为0.3V左右。
22
肖特基二极管的应用
因为有以上的特点，肖特基二极管在高速 集成电路，微波技术等许多领域都有很多 重要应用。 例如，由于肖特基势垒具有快速开关响应， 因而可以把它和N-P-N晶体管的集电极-基 极结并联连接，如图5 a所示，以减小晶体 管的存贮时间。
9
接触电阻定义为零偏压下的微分电阻，即
∂I Rc = ∂V V =0
4π * Rc ∝ exp mnε r ε 0 h
−1
（1）
运用量子力学的运算，最后得到
(
)
1/ 2
VD 1/ 2 N D
（2）
由式（2）看到，掺杂浓度越高，接触电阻 Rc越小。因而，半导体材料重掺杂时，可 得到欧姆接触。
16
图3
实用的肖特基二极管结构：采用金属搭接
17
为了得到理想的I-V特性，在图4所示的保 护环结构中采用了一种附加的p+扩散环来 降低边缘效应。由于搭接金属结构比较简 单，通常在集成电路中采用它更为合适。
18
图4
实用的肖特基二极管结构：采用保护环二极管
19
肖特基二极管的特点
肖特基势垒二极管和P-N结二极管具有类似 的电流-电压关系，即它们都有单向导电性； 但前者又有区别于后者的以下显著特点。 首先，就载流子的运动形式而言，P-N结正 向导通时，由P区注入N区的空穴或由N区 注入P区的电子，都是少数载流子，它们先 形成一定的积累，然后靠扩散运动形成电 流。
20
章电力半导体器件课件
T2 DF
R1
R2 E
图1-18 BJT模块的等效电路
BJT模块除了有上述达林顿BJT的特 点外，还有如；
2） 有电绝缘且传热好的固定底座， 安装使用很方便；
3） 内含续流二极管减少了线路电感， 降低了器件关断时电流变化率造成的过电 压。
零偏二次击穿触发功率 PSB0 I SB0U SB0
次击穿的时间延迟，称为触发时间。意味 着BJT工作点进入一次击穿区时，并不立
即产生二次击穿，而要有一个触发时间。
正偏二次击穿触发功率 PSBF I SBFU SBF 当加在BJT上的能量超过临界值（触发能
量）时，才产生二次击穿，也就是说二次
击穿需要能量。◢
1.1.3 电力半导体器件发展水平
整流管肖快 普特速 通基恢 整二复 流极二 管管极: 3管:K1V0:01,V.62KK, 3AVKA, 450A , 0.25μ s
•
电力半导体器件
晶闸管 换流关断型 快 普 双速 通 向晶 晶 晶闸 闸 闸管 管 管
: : :
5kV , 4kA , 12kV 2.5kV , 1kA , 30μ 1.2kV , 1kA
◤图1-22表示了MOSFET的输入电容
Ciss、输出电容Coss和反向传输电容
◢ Crss与结电容之间的关系。
10%
UGS
t t d(on)
r
t t d(off)
f
图1-23 开关特性测试电路与波形
➢td(on)：开通延迟时间 ➢tr：上升时间 ➢ td(off) ：关断延迟时间， ➢tf ：下降时间
• 二极管外加反向偏压（P区加 负、N区加正）时,所以反向 电流非常小.
• 二极管的伏安特性如图1-3所 示。
半导体第2章 PN结 总结
第二章PN结1. PN结：由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触(原子级接触）所形成的结构.任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction），有时也叫做接触(contact）。
2。
PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。
除金属－半导体接触器件外,所有结型器件都由PN结构成。
3。
按照杂质浓度分布，PN 结分为突变结和线性缓变结.突变结杂质分布线性缓变结杂质分布4。
空间电荷区:PN结中，电子由N区转移至P区，空穴由P区转移至N区.电子和空穴的转移分别在N区和P区留下了未被补偿的施主离子和受主离子。
它们是荷电的、固定不动的，称为空间电荷。
空间电荷存在的区域称为空间电荷区。
5. 内建电场:P区和N区的空间电荷之间建立了一个电场—-空间电荷区电场,也叫内建电场。
PN结自建电场:在空间电荷区产生缓变基区自建电场：基区掺杂是不均匀的，产生出一个加速少数载流子运动的电场,电场沿杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。
大注入内建电场:在空穴扩散区(这有利于提高BJT的电流增益和频率、速度性能）。
6. 内建电势差：由于内建电场,空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差（用表示).7。
费米能级:平衡PN结有统一的费米能级。
准费米能级：当pn结加上外加电压V后，在扩散区和势垒区范围内,电子和空穴没有统一的费米能级，分别用准费米能级。
8. PN结能带图热平衡能带图平衡能带图非平衡能带图正偏压：P正N负反偏压:P负N正9。
空间电荷区、耗尽区、势垒区、中性区势垒区:N区电子进入P区需要克服势垒，P区空穴进入N区也需要克服势垒.于是空间电荷区又叫做势垒区。
耗尽区：空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽,空间电荷仅由电离杂质提供。
这时空间电荷区又可称为“耗尽区”.中性区:PN结空间电荷区以外的区域(P区和N区）。
耗尽区主要分布在低掺杂一侧，重掺杂一边的空间电荷层的厚度可以忽略。
10。
单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布11. 载流子载流子：能够导电的自由粒子。
第二章 半导体二极管及其应用电路
由于半导体的电阻率对温度特别灵敏，利用这种特性就可以做 成各种热敏元件。
2.光敏特性 许多半导体受到光照辐射，电阻率下降。利
用这种特性可制成各种光电元件。
3.掺杂特性 在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，
它的导电能力就可增加几十万甚至几百万倍。利用这种特性就 可制成各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管 晶闸管、场效应管等。
直流工作电流 I D
ID
US1 U F RS(6 Nhomakorabea0.7)V 1k
5.3mA
二极管的动态电阻
26mV 26mV
rd
ID
4.9
5.3mA
再令 US1 0 ，利用二极管的微变模型，求出流过二极管的交
流电流 id
id
us2 RD rd
0.2sin 3140 tV (1 4.9 10 3 )kΩ
2. P型半导体
在四价晶体中掺入微量的三价元素，这种杂质半导体中， 空穴浓度远大于自由电子浓度，空穴为多子，自由电子为少子。 这种半导体的导电主要依靠空穴，称其为P型半导体（P-type semiconductor）或空穴型半导体。
2021/3/2
7
需要指出的是：
不论是N型还是P型半导体，整个晶体仍然呈中性。
描述稳压管特性的主要参数为稳定电压值 U Z 和
最大稳定电流 2021/3/2
I Zmax。
26
参数简介：
是指稳压管正常工作时的额定电压值。由
稳定电压U Z ： 于半导体生产的离散性，手册中的往往给出的
是一个电压范围值。
最大稳定电
是稳压管的最大允许工作电流。在使用时，
流 I Zmax：
实际工作电流不得超过该值，超过此值时，稳压 管将出现热击穿而损坏。
2.光敏特性 许多半导体受到光照辐射，电阻率下降。利
用这种特性可制成各种光电元件。
3.掺杂特性 在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，
它的导电能力就可增加几十万甚至几百万倍。利用这种特性就 可制成各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管 晶闸管、场效应管等。
直流工作电流 I D
ID
US1 U F RS(6 Nhomakorabea0.7)V 1k
5.3mA
二极管的动态电阻
26mV 26mV
rd
ID
4.9
5.3mA
再令 US1 0 ，利用二极管的微变模型，求出流过二极管的交
流电流 id
id
us2 RD rd
0.2sin 3140 tV (1 4.9 10 3 )kΩ
2. P型半导体
在四价晶体中掺入微量的三价元素，这种杂质半导体中， 空穴浓度远大于自由电子浓度，空穴为多子，自由电子为少子。 这种半导体的导电主要依靠空穴，称其为P型半导体（P-type semiconductor）或空穴型半导体。
2021/3/2
7
需要指出的是：
不论是N型还是P型半导体，整个晶体仍然呈中性。
描述稳压管特性的主要参数为稳定电压值 U Z 和
最大稳定电流 2021/3/2
I Zmax。
26
参数简介：
是指稳压管正常工作时的额定电压值。由
稳定电压U Z ： 于半导体生产的离散性，手册中的往往给出的
是一个电压范围值。
最大稳定电
是稳压管的最大允许工作电流。在使用时，
流 I Zmax：
实际工作电流不得超过该值，超过此值时，稳压 管将出现热击穿而损坏。
功率半导体器件相关知识讲解
• 电流控制器件（关断控制电流很大） • 用于（极）大功率场合（可至数十兆瓦） • 开关频率低（千赫兹以下） • 极大功率应用的（几乎）唯一选择
2023年12月6日
28
第二章 功率半导体器件
电力电子功率模块
现代电力电子技术原理与应用
• 电力电子器件的集成 • 电力电子器件与驱动、保护电路的集成 • 电力电子器件与控制电路的集成
现代电力电子技术原理与应用
电路中的开关器件：二极管整流器
2023年12月6日
40
第二章 功率半导体器件
现代电力电子技术原理与应用
电路中的开关器件：二极管整流器
2023年12月6日
41
第二章 功率半导体器件
现代电力电子技术原理与应用
电路中开关器件符号的处理：实际电路
2023年12月6日
42
第二章 功率半导体器件
2023年12月6日
21
第二章 功率半导体器件
IGBT
现代电力电子技术原理与应用
• 电压控制器件
• 用于中小功率场合（数十千瓦～数百千瓦）
• 开关频率中（数十千赫兹以下）
• 掣住效应问题（寄生晶闸管）
• 该功率等级目前最理想的器件
2023年12月6日
22
第二章 功率半导体器件
现代电力电子技术原理与应用
功率半导体器件相关知识讲解
第二章 功率半导体器件
理想的开关器件
现代电力电子技术原理与应用
• 关断时可承受正、反向电压（越高越好） • 开通时可流过正、反向电流（越大越好） • 开通态、关断态均无损耗 • 状态转换过程无损耗 • 状态转换过程快速完成（越快越好） • 开关寿命长（允许的开关次数越多越好）
功率器件复习(第二、三章精心整理)
第二章功率二极管1、PN结的穿通：是指空间电荷区随反向电压的升高而展宽到与电极接通而发生的短路现象。
需要承受很高的反向电压而正向导通时的电流容量又要很大的PN结比较容易碰到穿通问题2、PN结的反向击穿PN结反向电压增加过大，达到反向击穿电压VBR时，反向电流将会急剧增加，破坏了PN结反向偏置为截止的工作状态，这种状态称为反向击穿。
3雪崩击穿是电力半导体器件中最常见的击穿现象。
为同时满足正反两种偏置状态要求（正向导通电流容量大、反向耐压高），功率器件的PN结通常为单边突变结。
反向电压VR↑—>空间电荷区内电场强度↑—> 载流子漂移运动的动能↑—>与晶体原子发生碰撞使之电离—> 空间电荷层载流子浓度↑ （数目倍增）—>反向电流IR ↑ —> 单向导电性遭到破坏（击穿）。
雪崩击穿通常发生在空间电荷区较宽的轻掺杂一侧，对于单边突变结，雪崩击穿电压UB随着轻掺杂区的杂质浓度的升高而下降。
4、雪崩击穿和隧道击穿的主要区别• 隧道击穿主要取决于空间电荷区中的最大电场；雪崩击穿除了与电场有关外,还与空间电荷区宽度有关。
• 雪崩击穿是碰撞电离的结果，如果用光照等其他办法，同样会有倍增效应；而上述外界作用对隧道击穿则不会有明显的影响。
• 隧道击穿电压随着温度的增加而降低，温度系数为负数；而雪崩击穿电压随着温度的增加而增加，温度系数为正数。
PN结的反向电流会随着结温的上升而增大。
5、PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。
正向偏置条件下，当正电压较低时，扩散运动较弱，势垒电容占主要成份；正向电压较高时，扩散运动加剧，使扩散电容按指数规律上升，成为PN结的主要成份。
反向偏置状态下，因扩散运动被抑制，因而表现出较小的扩散电容，因此PN结电容以势垒电容为主。
6、PN结的电导调制效应（以P+N为例）P区向N区注入空穴，在N区形成少数载流子积累，与N区的电子复合而形成少子浓度梯度，随着正向电流的上升，少数载流子的积累增多，少子浓度梯度变缓。
第二章电力半导体器件
半控型器件（Thyristor） ——通过控制信号可以控制其导通而
不能控制其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET)
——通过控制信号既可控制其导通又 可控制其关断，又称自关断器件。 不可控器件(Power Diode)
——不能用控制信号来控制其通断, 因此 也就不需要驱动电路。
9、我们的市场行为主要的导向因素，第一个是市场需求的导向，第二个是技术进步的导向，第三大导向是竞争对手的行为导向。21.9.621.9.6Monday, September 06, 2021
C
电力电子技术——电力半导体器件
K(N)
电力电子技术——电力半导体器件
2.2.2 功率二级管
功率二极管（Power Diode）也称为半导体整流器 （Semiconductor Rectifier，简称SR），不可控电力电子 器件， 结构和原理简单，工作可靠，是20世纪最早(50年 代)获得应用的电力电子器件，直到现在它在高、中频整流、 逆变等领域仍然发挥着积极的作用。功率二极管是由一个 面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的，现在也有做 成模块式结构的，如下图。
电力电子技术——电力半导体器件
1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device）
——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电 子器件。
主电路（Main Power Circuit）
——电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控 制任务的电路。
2）分类:
电真空器件 (汞弧整流器、闸流管)
整流二极管及模块
电力电子技术——电力半导体器件
由于功率二极管流过很大的电流，其中引线、焊接电 阻压降等都有明显影响；同时为了提高耐压，掺杂浓 度也造成压降较大。功率二极管一般工作在大电流、 高电压场合。因此二极管本身耗散功率大、发热多， 使用时必须配备良好的散热器，以使器件的温度不超 过规定值，确保运行安全
不能控制其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET)
——通过控制信号既可控制其导通又 可控制其关断，又称自关断器件。 不可控器件(Power Diode)
——不能用控制信号来控制其通断, 因此 也就不需要驱动电路。
9、我们的市场行为主要的导向因素，第一个是市场需求的导向，第二个是技术进步的导向，第三大导向是竞争对手的行为导向。21.9.621.9.6Monday, September 06, 2021
C
电力电子技术——电力半导体器件
K(N)
电力电子技术——电力半导体器件
2.2.2 功率二级管
功率二极管（Power Diode）也称为半导体整流器 （Semiconductor Rectifier，简称SR），不可控电力电子 器件， 结构和原理简单，工作可靠，是20世纪最早(50年 代)获得应用的电力电子器件，直到现在它在高、中频整流、 逆变等领域仍然发挥着积极的作用。功率二极管是由一个 面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的，现在也有做 成模块式结构的，如下图。
电力电子技术——电力半导体器件
1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device）
——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电 子器件。
主电路（Main Power Circuit）
——电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控 制任务的电路。
2）分类:
电真空器件 (汞弧整流器、闸流管)
整流二极管及模块
电力电子技术——电力半导体器件
由于功率二极管流过很大的电流，其中引线、焊接电 阻压降等都有明显影响；同时为了提高耐压，掺杂浓 度也造成压降较大。功率二极管一般工作在大电流、 高电压场合。因此二极管本身耗散功率大、发热多， 使用时必须配备良好的散热器，以使器件的温度不超 过规定值，确保运行安全
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功率二极管
功率二极管（Power Diode）也称为半导体整 流器（Semiconductor Rectifier，简称SR）， 属不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应 用的电力电子器件。在中、高频整流和逆变以 及低压高频整流的场合发挥着积极的作用, 具有 不可替代的地位。
基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二 极管一样。
常在125～175℃范围内。
功率二极管的主要类型
（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（Rectifier D反io向d恢e）复，时多间用在于５开u关s以频上率，在额１定K电H流Z以达下数的千整安流，电额路定中电，压其达 数千伏以上。
（2）快恢复二极管：反向恢复时间在５us以下的称为快恢复 二极管（Fast Recovery Diode简称FDR）。快恢复二极管从 性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复 时间为数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其容量可达 1200V/200A的水平, 多用于高频整流和逆变电路中。
晶闸管的外形、结构和符号
G K
A
K A G
(a)
A
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K (b)
(a) 外形； (b) 结构； (c) 图形符号
K G
A (c)
晶闸管的工作原理
A
IA=Ic1+Ic2+ICO= 1 IA + 2 IK +ICO
②半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关 断的电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等；
③全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断 的器件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、 功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型 晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。
外电路来控制。 ✓ （3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、
开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热 量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般 都要安装散热器。
✓注：很重要，一定记住。
电力电子器件的分类
✓ 按器件的开关控制特性可以分为以下三类：
① 不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要 根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。 如：电力二极管（Power Diode）；
电力电子器件的分类
✓ 前面已经将电力电子器件分为不可控型、半控型和全控 型。按控制信号的性质不同又可分为两种：
✓ ① 电流控制型器件：
此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制。如： 晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等； ✓ ② 电压控制半导体器件：
这类器件采用电压控制（场控原理控制）它的通、 断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率 信号就可驱动它工作。如：代表性器件为MOSFET管和 IGBT管。
在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象 成下图所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和 B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。 它只工作在“通态”和“断态”两种情况，在通态时其 电阻为零，断态时其电阻无穷大。
电力电子器件的基本特性
✓ （1）电力电子器件一般都工作在开关状态。 ✓ （2）电力电子器件的开关状态由（驱动电路）
（2）开通特性： 电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。电力二极管的正向
压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值 （如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。
功率二极管的主要参数
（1）额定正向平均电流IF(AV)：在指定的管壳温（简称壳温，用TC表示） 和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。
（2）反向重复峰值电压ＵRRM： 指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压），此电压通常为击
穿电压UＢ的2/3。 （3） 正向压降ＵF： 指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端 的正向平均电压(又称管压降)。 （4） 反向漏电流ＩRR： 指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。 最高工作结温ＴjM： 指器件中ＰＮ结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。ＴjM通
从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。
功率二极管
a）结构 b）外形 c）电气图形
伏安特性曲线
功率二极管的开关特性
（1）关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。 反向恢复时间：trr= td+ tf
普通晶闸 管：也称可控硅整流管 (Silicon Controlled Rectifier), 简称SCR。
它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性(目前 生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整流、逆 变、交流调压、直流变换等领域, 成为特大功率低频 (200Hz以下)装置中的主要器件。
第二章 电力半导体器件
本章要点： 1.功率二极管 2.晶闸管工作原理 3.晶闸管伏安特性 4.晶闸管主要技术参数 5.几种全控型器件的特点 6.新型器件介绍
电力电子器件的基本模型
定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导 体电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。
（3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接 触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为 0.4～0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反 向耐压在200Ｖ以下。它常被用于高频低压开关电路或高频 低压整流电路中。
闸管
晶闸管(Thyristor)包括：普通晶闸管(SCR)、快速 晶 闸 管 (FST) 、 双 向 晶 闸 管 (TRIAC) 、 逆 导 晶 闸 管 (RCT) 、可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。 普通 晶闸管面世早，应用极为广泛, 在无特别说明的情况下, 本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。